新型光子芯片突破高性能计算“带宽瓶颈”

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在最新一期《自然·光子学》上，美国哥伦比亚大学工程学院研究人员展示了一种新型节能芯片，可通过连接节点的光纤电缆传输大量数据。该芯片不需要使用多个激光器来产生不同波长的光，而只需要一个激光器来产生数百个不同波长的光，这些光可同时传输独立的数据流。　　运行大型语言模型等人工智能程序的数据中心和高性能计算机，它们在节点之间传输的数据量是造成当前“带宽瓶颈”的根源，其限制了这些系统的性能和扩展。

这些系统中的节点可相距一公里以上。由于金属线在高速传输数据时会将电信号以热量的形式耗散，因此这些系统通过光纤电缆传输数据。不幸的是，当信号从一个节点发送到另一个节点时，在将电数据转换为光数据(然后再转换回来)的过程中浪费了大量能量。　　新研发的毫米级系统采用了波分复用和克尔频率梳设备，在输入端接收单色光，并在输出端产生许多新颜色的光。这些设备是光通信的理想来源，对每种颜色的光，人们可编码独立的信息通道，并通过单根光纤传播它们。这一突破可让系统在不消耗更多能源的情况下传输更多的数据。　　团队设计了一种新颖的光子电路架构，允许每个通道单独编码数据，同时对相邻通道的干扰最小。在实验中，研究人员成功地以每秒16吉字节的速度传输32种不同波长的光，单光纤总带宽为512吉字节/秒，传输1万亿比特数据中的错误率不到1比特——达到令人难以置信的高水平的速度和效率。传输数据的硅芯片尺寸仅为4毫米×1毫米，而接收光信号并将其转换为电信号的芯片尺寸仅为3毫米×1毫米，两者都比人类的指甲还小。　　该成果展示了一条可行的途径，既可大幅降低系统能耗，又能将计算能力提高几个数量级，从而使人工智能应用程序以指数级速度持续增长，并对环境影响最小。